基于并網型微電網多級儲能系統的設計

何勇，彭曉，曾麗瓊，馮韌（湖南工業大學　電氣學院　湖南株洲412000）

基于并網型微電網多級儲能系統的設計

何勇，彭曉，曾麗瓊，馮韌
（湖南工業大學電氣學院湖南株洲412000）

摘要：設計了一種新型的彈性儲能系統，聯合相關的自動控制系統實現自動控制儲能與能量的釋放。采用了多級發條重復儲能，實現了儲能大，重復利用率高，避免了傳統化學電池的弊端。首次引進了能量子彈的新型儲能概念，并能通過相關的制動控制系統實現了能量子彈與母體間的分離。利用能量子彈解決目前彈性儲能系統間不能進行大能量存儲以及運輸的瓶頸，為微電網并網穩定性問題的解決打下基礎。

關鍵詞：微電網；彈性儲能；穩定性

本文引用格式：何勇，彭曉，曾麗瓊，等．基于并網型微電網多級儲能系統的設計[J]．新型工業化，2015，5（7）：64-70

Citation:HEYong,PENGXiao,ZENLi-qiong,etal.ANewTypeofMultistageEnergyStorageSystemBasedon Grid-ConnectedMicro-grid[J].TheJournalofNewIndustrialization,2015,5（7）:64-70.

0　引言

能源是我們生活的物資基礎，在滿足能源需要，又不影響環境的前提下，人類在采取各種措施提高能源的利用率，對能源結構進行改善，充分利用清潔能源。在我們國家清潔能源發電發展非常慢，相關技術有待改進，建設規模不大，但我國具有豐富的天然資源優勢和巨大的市場需求空間，為我國清潔能源的發展打下了基礎。在國家相關政策扶持下，清潔能源的利用已經成為了關注的焦點，有待解決的問題越來越多，發展空間巨大。風能，太陽能和潮汐能都是清潔能源，但它們又是一種隨機性和間歇性能源，因此由太陽能發電系統，風能發電系統和潮汐能發電系統等組成的微型電網，在并網時會因它的隨機性和間歇性的特點給電網帶來沖擊，，成為了微網并網發展的瓶頸，要解決這個問題，可以利用儲能方式來解決。把儲能系統運用到微電網中，利用它在動態情況下儲存能量，在適當時候釋放所儲存的能量，改善風電場輸出功率的可控性，這是我們至今在用的一種方法，能夠有效的彌補風電的間歇性和隨機性特點。但是儲能少，儲能不可移植問題一直沒有解決。

本文利用彈簧特性材料和彈簧機構的特點，即當其彈性材料產生形變后，能夠把機械能變成回形變或者把回形變變成機械能，正是基于彈簧這一特性來進行研究，在原有的機構上改進彈性儲能機構，改變原來的彈性儲能機構儲能少，所儲能量不可移植性問題。

1　儲能裝置的結構及其工作原理

1.1儲能裝置的結構

儲能結構由電機、聯軸器、轉筒、棘輪結構和帶有斜面的底座（如圖1所示）組成，這些已在儲能裝置的結構圖2中畫出，在裝置中還包含有自動控制系統，自動分離系統裝在儲能裝置的電機處，用來分離已儲滿能量的彈簧結構，分離狀態如圖3所示。

圖1　帶斜面的底座圖Fig.1　The　bevel　base

圖2　儲能裝置的結構圖Fig.2　The　structure　of　energy　storage　device

圖3　能量子彈分離狀態圖Fig.3　The　diagram　of　Energy　bullet　separation　state

1.2儲能裝置工作原理

該儲能裝置的轉筒中含有四個渦卷彈簧結構（如圖4所示），在本文中把單個渦卷彈簧結構叫做能量子彈，它的每個能量子彈的儲能機理和傳統的單發條是一樣的，都是利用鋼條的彈性進行儲能，通過電動機帶動軸的轉動，使纏繞在軸上的發條發生形變從而進行旋轉儲能。

轉筒里含有的每個渦卷彈簧結構及其相關控制裝置組成一個子系統，每個子系統都是一個能量子彈儲能裝置，當把它們裝進去時，它們處于非工作狀態（如圖2所示），棘輪限制了它們的旋轉，此時既不能進行儲能也不能進行釋放能量。通過進步電機帶動外筒轉動，隨著底座斜面高度的變化（斜面底座如上圖1），使得處在底座最低處的子系統脫離棘輪的束縛，該子系統的軸突出，與電動機通過聯軸器聯合，然后在電動機的轉動下進行儲能。當這個儲能完成時，相應的的力感應裝置測到力達到最大值時會把信號傳回控制器控制相應的進步電機帶動下一個子系統進入相應的儲能位置，這里只進行相應的技術闡述，不做具體的結構設計。在下一個未儲滿能量的子系統進入時，上一個儲滿能量的子系統在端部的彈簧的作用下回縮。端部彈簧的伸縮狀態如圖5所示。

圖4　儲能裝置端部結構Fig.4　Energy　storage　device　end　structure

如果有無限多的能量子彈的話，我們可以在無限儲能模式下儲能，不斷的從B處（圖2所示）拿出儲滿的能量子彈，取出的能量子彈將在控制系統的控制下拿到相應的儲存室進行存儲，然后放入未儲滿的子彈就可以無限儲存能量。儲能裝置中儲能彈簧的選擇時最重要的，他決定儲能的多少。

2　儲能裝置中彈簧的選擇及其彈簧結構力學仿真分析

2.1彈簧的選擇

彈簧的類型很多，按外形可以區別為三種：螺旋型彈簧、板型彈簧和特種型彈簧等，但對于螺旋型彈簧分成三種，他們分別是壓縮型螺旋彈簧、拉伸型螺旋彈簧和扭轉型螺旋。彈性儲能機構以平面渦卷彈簧來進行儲能，平面渦卷彈簧是常用彈性工具，它受到不同的力時形變就不一樣，可以將不同的能量轉化為形變能儲存在彈簧里面，力放開后彈簧回到原來狀態，又能將變形能轉化為機械能或其它形式的能量。

圖5　滾筒剖面圖Fig.5　Cylinder　profile

我們選擇彈簧時，我們第一要注意彈簧的特性，即受力大小和產生彈性變化量的大小間的聯系，受力大小E除以角度變化量G就是彈簧的儲能強度D，彈簧的特性曲線分為直線型、漸增型和漸減型。就平面渦卷彈簧來說，在受到外力時彈簧有段不能儲能，這種情形的曲線就稱為直線曲線，當外力不斷的加大，彈簧內部相互摩擦，它的曲線就叫做漸增曲線，就能量的加載大小區別，我們需要儲存大的能量，因此我們對彈簧承受力的程度大小有要求，所以我們要用漸增曲線型的彈簧，也就是當受力大小的增加，它剛度也不斷的增大，考慮到本儲能裝置本身的特點和平面渦輪它的的彈簧特點，本儲能機構選擇平面渦卷彈簧作為彈性儲能裝置的儲能元件。具體渦卷彈簧結構如下圖6所示。

圖6　渦卷彈簧結構圖Fig.6　Vortex　coil　spring　structure

圖7　3圈彈簧的部分變形圖Fig.7　3　Parts　of　the　coil　spring　deformation　figure

2.2彈簧結構力學仿真分析

由于ADAMS軟件的分析數量有限，而且儲能裝置的形狀復雜，不能直接進行仿真，所以很難模擬仿真。只能對彈簧結構進行力學仿真，最通過彈簧形變與能量間模型進行推算，從而初步評價該系統的設計的效果。首先對3圈、5圈的彈簧進行了動力學分析，然后由此得出28圈彈簧的剛度曲線。

圖8　5圈彈簧的部分變形圖Fig.8　5　Parts　of　the　coil　spring　deformation　figure

首先使用Pro/Ewildfire4.0對彈簧進行實體建模，分別建立了3圈彈簧和5圈彈簧的實體模型，該模型包括彈簧芯軸、彈簧盒:和彈簧三部分。用ADAMS進行仿真測試，通過后面的圖形曲線可以觀察到彈簧受力后變形情況，彈簧受的力大小情況不同，變化的曲線就不一樣，應力的分布情況也隨著被旋緊圈數的不同而變化，如圖7和圖8分別表示的是3圈彈簧和5圈彈簧在仿真過程中，彈簧的部分變形圖。圖9和圖10分別為通過仿真得到的3圈彈簧和5圈彈簧的剛度曲線圖。

由圖9中曲線和圖10中曲線可以看出，當彈簧得到力矩的作用，開始卷緊時候，隨著卷緊圈數矩也越來越大，但由于彈簧存在空轉，彈簧空轉的圈數也在增加，彈簧剛度曲線的直線段斜率在逐漸變小，再由彈簧的儲能計算公式為U=T￠，通過U=T￠可以把扭力的兩個曲線相加，就可以畫出能量曲線，如圖11和圖12所示，圖11和圖12分別為3圈彈簧和5圈彈簧的儲能曲線圖，曲線1代表的彈簧變化角度趨勢，曲線2代表的是彈簧扭力的變化趨勢，根據彈簧的儲能公式U=T￠合成得到，即曲線1和曲線2的相乘疊加，其中，橫坐標表示彈簧的旋轉角度，縱坐標表示彈簧所儲存的能量，單位為N.mm.r。

從上面的圖可以看出，彈簧剛剛開始就承載大的力，而且就有能量儲存，當彈簧受力不斷加大。能量也儲存的越來越大，所以可以推斷彈簧的儲能曲線的變化趨勢類似與圖11和圖12所示彈簧的儲能曲線。

由上面得到了其在施加一個恒定角速度情況下的彈簧剛度曲線及其儲能曲線，下面我們對彈性儲能裝置的彈簧儲能進行計算，計算如下：

圖9　3圈彈簧剛度曲線Fig.9　3parts　of　coil　spring　stiffness　curve

圖10　5圈彈簧剛度曲線Fig.10　5　parts　of　coil　spring　stiffness　curve

圖11　3圈彈簧的儲能曲線Fig.11　3　parts　of　Spring　energy　storage　curve

圖12　5圈彈簧的儲能曲線Fig.12　5parts　of　Spring　energy　storage　curve

式中 K 為渦簧的剛度。

當彈簧末端固定不動，固定在A上，A點到彈簧末端長度為r，在軸上力的大小為T1時，A點將會有T大小的力，相交點的力為P，外部向力大小為P。沿彈簧長度s取無限小的ds彈簧單元體，則此單元內的彈簧變形能dU為：

圖13　彈簧的受力分析簡圖Fig.13　The　diagram　of　spring　force　analysis

在下式中，E表示彈性材料的模量；I 表示為慣性矩，T表示為軸上的牛力大小。彈簧的最大長度為1時，可以得到下式U為：

當軸上用T大小的力時，彈簧內部受力均勻，跟軸受的力一樣大，根據力學中的卡式定理：變形能對任一外力 P 的偏導數，等于P作用點沿彈簧P方向上的位移 δ，用公式表示:

因此可得彈簧的變形角為：

由公式（3-1）、（3-4）可得彈簧的扭轉剛度為：此外，由（3-3）、（3-4）可得到彈簧儲能公式的另一種表達方式：

若用變形圈數n表示變形角的大小，則φ=2πn，由此得彈簧的工作圈數為：

根據中華人民共和國機械行業標準[39]JB/T7366-1994，選擇彈簧截面的寬度b=80mm和厚度h=4mm。在進行彈簧設計時，一般選擇彈黃長度l和彈簧厚度h的比值，最大不超過15000，所以該彈簧的極限工作長度為=1653MPa。

己知該彈簧的基本參數和材料特性，可以確定其所承受的極限轉矩Tj為:所以，可得到該彈簧的最大輸出轉矩T2為：

其中，K3是根據固定方式不同選擇的系數，本文選擇銷式固定。該彈簧所纏繞的芯軸的直徑d3可由公式：

確定，本文選擇放置該彈簧所需的彈簧盒的內徑D2為：當彈簧受載卷緊時，彈簧圈的外徑d2為：

由卷緊時渦簧的外徑d2和芯軸直徑d1可以確定彈簧在卷緊時候的圈數n2為:

當彈簧卸載松卷時，彈簧的內徑D1為：

由該彈簧的基本參數和其所能承受的最大輸出轉矩T2可以確定該彈簧的理論工作圈數n為:

由彈簧卷緊時的圈數減去其理論工作圈數可以得到彈簧在自由狀態下的圈數n0為:

當彈簧置于彈簧盒內后，由彈簧盒內徑D2和彈簧卸載松卷時彈簧圈的內徑D1可以確定該彈簧在未加轉矩狀態下的圈數n1為:

由此可以得到該彈簧的有效工作轉數n有效為：

根據公式（3-6）可得彈簧的最大儲能U為

功率P為

所以，彈簧的儲能密度p為:

從上面看儲能密度比較大，再假設每個儲能彈簧重為30，又因為儲能彈簧的個數在彈簧數量能夠提供足夠多的情況下，可以實現儲能巨大（n為彈簧個數）W的值為：

在n為無限的條件下可以實現無限儲能。

3　結束語

新型的彈簧儲能系統最大的優點就是能實現多級儲能，并且每級儲好能后可以以能量子彈的形式分級移出來，在能量子彈足夠多的情況下可以實現無限儲能，所儲能量大大增加，所儲能量大，為解決微電網并網問題打下了基礎。移出的能量子彈也可以為電動汽車充電，只要把能量子彈移到電動汽車上可以讓電動汽車邊走邊充電，解決電動汽車充電等待時間長的問題。

參考文獻

[1]M.Geescu，Vetal.Basedontheintroductionofenergystorageequipmentandapplication，Anoverviewofthewindpowersystemandits applicationVolume6.[J].Molecularcell，2008，30（5）：649-656.

[2]P.HuR，KarkiR，Vetal.Thebiggestadvantageisthenewkindofspringenergystoragesystemcanrealizemultistageenergystorage.[J]. Nature，2008，452.

[3]C.N.Rasmussen，LBetal.Energybulletsalsocanchargethebatteryforelectricvehicles，aslongasthemoveenergybulletstoelectric carscanmakeelectriccarstowalkwhilecharging，solvetheproblemofelectricvehiclechargingwaitforlongtimeSpain.[J].TrendsinBiotechnology，2007，25（3）：105-110.

[4]SWMohod，GouetPetal.Springhasjuststartedcarryinglargeforce，andhastheenergystorage，whenthespringforceincreasing.[J]. Nature，2007，450.

[5]TaguchiA，NakanishiHetal.Designanewkindofelasticenergystoragesystem，thejointrelatedautomaticcontrolsystemtorealize automaticcontroloftheenergystorageandenergyrelease.[J].Molecularcell，2005，20（1）：21-32

[6]K.Veszpremi，LealWS.Adoptsthemultistageclockworkrepeatenergystorage，hasrealizedtheenergystorage，repeatedutilizationratio ishigh，toavoidthedisadvantagesofthetraditionalchemicalbattery.[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnited StatesofAmerica，2002，99.

[7]PaulDenholm，BogdanowiczSMetal.Toavoidthedisadvantagesofthetraditionalchemicalbattery.Forthefirsttimetheintroductionofthe conceptofanewtypeofenergystorageenergybullets，andcanpasstherelevantbrakingcontrolsystemtorealizetheseparationbetweenthe energybulletsandmatrix.[J].EnergyPolicy，315-385

[8]J.K.Kaldellis，HaoGetal.Usingenergybulletstoresolvetheelasticenergystoragesystemscannotbebigbetweenenergystorageand transportbottlenecks，laysthefoundationforthemicropowergridstabilityVolume.[J].TheJournalofBiologicalChemistry，2002，277.

[9]WEILI，5Eetal.GEZAJOOS.Bulletsandanoverviewoftheconceptofenergyuseintheroleofcontroltheoryanditswaysandmethods.[J]. Cell，2002，108（6）：735-738

[10WeiDuan，HengchangFeng，HaoGetal.Windpowergenerationsysteminthestudyandapplicationofelasticenergystorage，the applicationofmicrogrid.[J].TheJournalofBiologicalChemistry，2001，276

作者簡介：何勇（1988-），男，碩士，主要研究方向：電力系統繼電保護。

DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.07.010

A New Type of Multistage Energy Storage System Based on Grid-Connected Micro-grid

HEYong,PENGXiao,ZENLi-qiong,FENGRen
(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Hunan Zhuzhou, 412000)

Abstract:Anewtypeofelasticenergystoragesystemisproposedinthispaper,realizingtheautomaticcontrolofenergy storageandtheenergyreleasebytheco-operationoftherelatedautomaticcontrolsystem.Thisdesign,withalargestorageand highreuseratio,adoptsthemultistageclockworksrepeatedstorage,againstthedisadvantageofthetraditionalchemicalbattery. Theconceptofanewtypeofenergystorageenergybulletsintroducedforthefirsttime,inwhichtheenergybulletsandmatrix canbeseparatedbysomerelevantbrakingcontrolsystem.Suchenergybulletscansolvetheproblemoflargeenergy’sstorage andtransportinaelasticenergystorage,layingafoundationforgrid-connectedstabilityofthemicro-grid.

Keywords:Themicro-grid;Elasticenergystorage;Stability